大阪大学产业科学研究所的阵内青萌助教、家裕隆教授与冈山大学环境生命自然科学学域的山方启教授、神户大学分子光科学研究中心的小堀康博教授、名古屋大学研究生院信息学研究科的东雅大教授等人合作，通过引入分离有机半导体分子的前沿轨道空间的分子设计，成功降低了有机半导体的激子束缚能。研究人员使用新开发的有机半导体材料试制了本体异质结型的有机太阳能电池，结果发现这种材料具有较小的激子束缚能，表现出比传统材料更优越的太阳能电池特性。上述研究揭示了有效的分子设计准则的一部分，将有助于制作基于新驱动原理的新型光电器件。相关研究成果已刊登在期刊《Angewandte Chemie International Edition》的在线速报版上。
图1. 本研究开发的有机半导体分子概要（供图：大阪大学）
有机太阳能电池的能量转换效率在很大程度上取决于有机半导体接受光能之后生成自由电子和空穴（即电流来源）的效率。但由于有机半导体的相对介电常数通常小于硅等无机半导体，即使接收光能，负电荷和正电荷也会在库仑引力（激子束缚能）的作用下被强力束缚在一起，导致向自由电荷的转变过程难以推进，这已成为技术发展中的一大难题。
研究团队此前曾发现，通过引入增大有机半导体介电常数的分子设计，可以降低激子束缚能。
另一方面，通过增大库仑公式中的R（激发态中正电荷和负电荷之间的距离）也有望降低激子束缚能。然而，着眼于激发态电荷之间距离的有机半导体材料尚未被广泛开发。
通常，在接收了光能的激发态有机半导体分子中，会出现占据分子轨道的电子从最高被占轨道（HOMO）转移到最低空轨道（LUMO）的现象，分子内的HOMO所在位置带正电荷，LUMO所在位置带负电荷。
本次研究中，研究团队通过实现HOMO和LUMO在分子内的空间分离设计（即增大R值的设计），开发出了比传统材料ITIC激子束缚能更小的有机半导体分子（SpiroT-DCI）。
以开发的有机半导体分子作为受光的受体材料，PBDB-T作为释放电子的供体材料，研究团队制备了一种本体异质结型有机太阳能电池，结果发现，新材料反映出了较小的激子束缚能，比传统材料（ITIC）和对照材料（SpiroF-DCI）具有更优越的太阳能电池特性。另外，研究人员以此次开发的SpiroT-DCI的单组分型膜为发电层试制了太阳能电池，结果显示其量子效率最高为3.6%，虽然能量转换效率较低，但这种材料能作为单组分有机太阳能电池发挥作用。
家教授表示：“激子束缚能不仅是有机太阳能电池的重要参数，也是提升有机光传感器、有机光催化剂等基于有机材料的光电设备性能、以及开发新功能的关键参数之一。本研究成果有望成为新型光功能材料分子设计的指导方针之一。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Angewandte Chemie International Edition
论文：Nonfullerene Acceptors Bearing Spiro-Substituted Bithiophene Units in Organic Solar Cells: Tuning the Frontier Molecular Orbital Distribution to Reduce Exciton Binding Energy
DOI：doi.org/10.1002/anie.202412691
